СВАРКА И НАПЛАВКА АЛЮМИНИЯ И ЕГО СПЛАВОВ

Основные проблемы упрочнения алюминиевых поршней наплавкой

Анализ физических, физико-механических и физико­химических свойств алюминия и его сплавов [17, 121, 1, 127, 150-156], а также обзор литературы по их свариваемости [38, 42] показывают, что алюминиевые сплавы обладают рядом особенностей, затрудняющих получение качественного сварного соединения и наплавленного металла. К этим особенностям относятся: 1- легкая окисляемость с образованием высокотемпературных оксидов и абсорбция водорода алюминием при высоких температурах в твердом и жидком состоянии; 2 - высокая теплопроводность; 3- высокий коэффициент линейного расширения; 4 большая жидкотекучесть.

Легкая окисляемость алюминия при высоких температурах в расплавленном состоянии приводит к образованию на поверхности расплава оксида алюминия Л120} в виде плотной тугоплавкой пленки (Гм« 2320 К) с высоким электросопротивлением, что отрицательно влияет на стабильность процесса наплавки. К этому следует добавить, что оксидная пленка, находящаяся на поверхности твердого алюминия (до наплавки), активно адсорбирует влагу. В дальнейшем при нагреве происходит диссоциация пара с выделением водорода основного источника пор в наплавленном металле.

Интенсивная абсорбция алюминием водорода в расплавленном состоянии влечет за собой повышенную вероятность образования пор в процессе кристаллизации наплавленного металла. Даже при правильно разработанной технологии наплавки, когда возможность насыщения водородом сварочной ванны практически исключена, существует реальная опасность возникновения дефектов в виде пор за счет водорода, находящегося в состоянии твердого раствора внедрения в основном металле поршня. Как показывают работы Походни И. К. и Фролова В. В. [43,64,157], высокие температурные градиенты в зоне сварки вызывают термическую диффузию водорода из основного металла к границе сплавления. Исследованиями установлено наличие здесь высокой сегрегации водорода, что вызывает дефекты в сварном соединении (поры, трещины).

Поэтому при наплавке поршней в зоне первой компрессионной канавки для обеспечения высокой плотности наплавки необходимо ограничивать содержание водорода в металле поршня.

Высокая теплопроводность алюминия и его сплавов предопределяет увеличение размеров зоны разогрева при наплавке, что в сочетании с большим коэффициентом линейного расширения вызывает существенные тепловые деформации поршня, которые при пониженной пластичности могут привести к образованию трещин скрытого типа. Повышенный разогрев прилегающего к шву основного металла приводит к его разупрочнению и снижению износостойкости. Поэтому при наплавке поршней не рекомендуется ее выполнять в два прохода.

Большая жидкотекучесть алюминия и его сплавов накладывает определенные ограничения на выбор режимов наплавки, положение электрода по отношению к оси поршня, температурного режима наплавки и т. п.

Из всех проблем, присущих процессу наплавки алюминиевых поршней, наиболее серьезной и слабоизученной является образование несплошностей в наплавленном металле, что часто является браковочным признаком [158, 159].

При наличии пор в наплавленном металле могут существенно ухудшиться его эксплуатационные свойства, особенно прочностные. В работе [160] установлено, что поры в швах алюминиевого сплава 04120 могут понизить прочность соединения на 25-30%. Весьма отрицательное влияние оказывают поры при испытаниях на циклические нагрузки [161].

Таким образом, получение наплавленного металла с минимальным количеством пор очень важно с точки зрения эксплуатационной надежности поршня в целом.